开关稳压电源模块并联供电.doc

沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 选题意义及目的电源问题一直是人们十分关心的问题，是所有电设备的动力。在电力系统中，直流系统的可靠性、稳定性及性能直接影响到电厂的运行和设备的安全；在通信网络中，通信电源成为构成各种通信手段必不可少的组成部分，对确保通信质量具有重要的影响，人们视通信电源为整个通信系统的心脏。 以往应用的传统的相控整流电源设备因为采用工频变压器，体积大，且输出电压的纹波系数大。它的监控系统不完善，采用主从备份方式，用户使用不方便；更重要的是它无法达到电力系统监控设备和通信设备要求电源纹波小，可靠性高，抗干扰能力强的新的技术标准。另外，由于充电设备与蓄电池并联运行，纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄电池的使用寿命。另外因其网侧功率因数低、调整速度慢、噪声大等缺点，正在被逐步淘汰。取而代之的是高频开关电源。开关电源取消了传统电源采用的笨重的工频变压器，使得电源得体积大大缩小；电源中得电力电子器件工作在开关状态，使整机效率很高；由于器件的开关频率一般大于20kHz，所以基本上听不到噪声。随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济各行各业。各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，开关电源向更大功率方向发展。研制各种各样的大功率、高性能的开关电源成为趋势。但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的最大输出功率只有几千瓦，但实际应用中往往需用几百千瓦以上的开关电源为系统供电。因此，大功率电源系统需要用若干台开关电源并联运行，以满足负载功率的要求。同时考虑分布式与集中式电源系统相比所具有的优点,具体采用分布式电源系统供电。这样每个变换器只处理较小功率，降低了应力，还可以应用冗余技术，提高了系统的整体稳定性，并且使用场合不受限制，根据需要组合，方便灵活。其容量可以任意扩展。同时可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高模块的功率密度使电源系统的体积、重量得到下降。可谓一举多得。由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展开关电源并联技术的重要性也日益突出。而且，社会发展越来越迅速，单个的电源往往不能满足人们的各种需求。因此，采用多个电源模块并联供电，不但可以提供所需电流，而且还可以形成Nm冗余结构，提高了系统的稳定性，可谓一举两得。但是，在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一样，导致有些模块负荷过重，有些模块过轻。这将使系统的稳定性降低，会给我们的生产和生活带来严重的后果，而且电源模块自身的寿命也会大大缩短。国外有资料表明，电子元器件在工作环境温度超过50时的寿命是在常温（25）时的1/6。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题。在本次设计中，电子测量技术、单片机原理及应用，以及模拟/数字信号处理等的多种学科技术知识的综合运用。通过本设计，提高本专业各学科综合知识的实际运用能力，与此同时也提高自身的分析能力与实际动手能力，增强自身对设计的科学性、系统性、及全面性的理解。通过此次设计，能较好的掌握硬件电路的设计的工作流程，进一步体会汇编语言与C语言编写程序的优缺点。1.2 国内外同类设计的现状目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和EMI滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。60年代中期，美国已研制成20kHz DCDC变换器及电力电子开关器件，并虚用于通信设备供电。到70年代初期已被先进国家普遍采用，其中最有成效的黾由这种电力电子开关器件和变换技术组成整流电路，三相交流电源不经过工频变压器，而是直接整流，再由DCDC变换器变成高频交流，经再一次整流变成电设备所需的各种直流电源。由于用20kHz高频变压器取代了50Hz工频变压器，使得整流器中的关键元件“工频变压器和滤波电感”大大缩小，使整个整流器的重量、体积大幅度减小，并消除了噪声，提高了功率因素，改善了可控硅对电源造成的畸变。80年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套电源，即目前所谓的开关电源(SMPSwitch Mode Power)或开关整流器(sMRSwitch ModeRectifier)。早期开关电源的控制电路一般以分立元件非标准电路为主，一般由时钟电路、TRC(Time Radi0 Contr01)电路、分频电路、检测放大电路、保护电路组成电路形式比较灵活，但使用元件多，电路设计复杂，而且可靠性不高。经过十多年的发展，国外在1977年左右开始进入控制电路集成化阶段。一个大规模单片集成型控制电路除了包括开关电源控制方案的公共功能外，通常还持有更为广泛的适应性，这样的单片取代了上百个分立元件，大幅度地减少了元器件数量，提高了电源地可靠性，简化了电路地设计计算，有利于生产和维护，同时也加速了电源控制电路标准化的进程。控制电路的集成化标志着开关电源的重大进步。目前市场上出售的单片集成型控制电路种类较多，例如美国UNITRODE的UC3845系列，TEXAS INSTRUMENT的TL494系列等等总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。而开关并联供电这几年也随着光伏产业以及电子产品的发展，也迅速发展并被广泛应用到各个领域。像电动自行车、逆变焊机、电镀金等和一些大功率供电场合，都用到了这项技术。而单片机也是未来发展的一个方向，本次设计中用单片机进行控制，与其他类似的设计相比就有了很多的优点。对于电子产品而言，系统的稳定性往往是一个很重要的因素。对于并联电源而言，要提高系统的稳定性，使各并联电源模块的输出电流平均分配是一个必须要解决的问题。目前，国内外有几种比较传统的并联均流方案，像下垂法、主从电源法、自动均流法和最大电流法、外部控制器法等等。但目前国家级上使用较多的是主从控制法，而美国Unitrode公司以最大电流法为基础开发出的UC3907系列芯片，由于其简单的结构，强大的功能，也获得了广泛的应用。随着单片机及DSP技术的迅速发展，现在可以用它们来控制并联的电源模块均流，效果很好。不过由于芯片造价较高，而且自身A/D及D/A精度不够，若想得到理想的参数，还须外加专门的A/D及D/A芯片，所以还没有广泛普及，而本次设计就将采用主从电源法配合单片机来实现。第2章 设计思想2.1 设计思路题目要求制作两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统，输出额定电压不变，两个模块的电流能根据负载的不同进行自动分配，且不能使用线性电源及产品的DC/DC模块。LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和 负载调节特性。固定输出版本有 3.3V、5V、12V， 可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小 规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地 简化了开关电源电路的设计。 合理的选择外部电容电感等原件，就能实现输出额定功率16W电压为8V的DC/DC模块。由于输出电流要实现自动分配，仅仅通过简单的并联方式还不能完全保证整个扩展后的电源系统稳定可靠的工作。所以必须对电流电压检测后调节电流源输出对两个模块的电流进行分流调控。本次设计采用模块儿划分的方法进行设计，将整个系统分为以下几个模块儿：DCDC模块、单片机控制电路模块、电压电流检测模块和显示模块。本系统采用STC89C52作为主控制器,由数码管显示。采用开关电源LM2596芯片作为开关管对输入电压进行降压控制。同时单片机控制AD芯片对充电电流回路里取样，经AD 转换后显示相关的电压电流值。系统框图如图2-1所示：自动恢复电阻并联DC/DC模块负载单片机系统显示电流电压采样5V供电控制电流源输出输入辅助电源图2-1 整体系统框图 系统的结构整体框图如图2-1,12v直流直接经并联的DC-DC开关电源模块降压到8V给负载供电。单片机控制系统利用AD转换芯片对总路的电流和负载的电压进行采样，并采用合适的分流算法去改变两路开关电源的输出电流。当输出电流大于自动恢复电阻丝的最大工作电流时切断主电路，直到电路恢复正常为止。2.2 方案论证2.2.1DC-DC电路设计方案选择DC/DC变换电路是将一组电参数的直流电能转换为另一组电参数的直流电能的电路。根据题目要求，本模块须采用DC/DC降压变换电路（Buck电路），实现8V直流输出电压。Buck电路的实现可以由分离原件与专用集成芯片组成。方案一：采用PWM控制的高频开关变压器实现。如图2-2所示，反激式DC/DC变换器开关管（Tr）导通时，变压积能量，截止时输出能量。反激式优点是：结构简单、外围元件少，要扼流圈和续流二极管。输出电压公式： 并联时，由于是一个 PWM 控制器同时控两路，两路的开关管在高频下始终是导通和关断的，所以电容上始终保持同时充电和放电，因此并联时两路电流始终保持相等；缺点是：变压器存在漏感，将在原边形成很大电压尖峰，可能击穿开关器件；负载调整率差；电源效率低；能量由变压器T储存，体积较大，而且需要开气隙。图2-2 反激式DC/DC电路方案二：采用TI 公司的PWM 控制芯片TL494，驱动P沟道MOS 管IRF9630。TL494内部集成两个误差放大器，通过反馈能对PWM信号的占空比进行调节，内部自带5V基准，能够对输出电压实现精确控制。方案三：采用开关电压调节芯片LM2596-ADJ实现。LM2596能够输出 3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可调版本可以输出小于 37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需外接少量元件，使用方便。使用LM2596开关电压调节器芯片设计两路开关电源，一路开关电源通过反馈使输出电压能够稳定为8V作为恒压源；另一路开关电源，使用ZXLD1362做成的可控恒流源，通过调节单片机输入ZXLD1362ADJ管脚的PWM波的占空比来调节电流源输出电流值，实现可调电流比。 工作过程为：电路接通后电压源稳定输出为8V，通过键盘输入给单片机信号，使电子电位器输出固定值并作为反馈影响LM2596的输出电压，使此路电流源作为电路补偿输出恒流值并使电路电流满足指标要求。电压源电流源图2-3 方案三电路示意图电压源1电压源2RR2R3R4R图2-4 方案四电路示意图方案四：根据LM2596开关电压调节器芯片设计两路恒压电源，通过反馈使输出电压能够稳定为8V。为了使两路开关电源的输出电流可调，在其中一路开关电源的输出端串入一组不同阻值的阻值精密电阻，根据所需比例通过电子开关选择串入的阻值，对两路电流进行比例配置。由于电源要求输出电压一定，通过改变“内阻”即可调节输出电流。工作过程为：电路接通后UO稳定为8V，调节负载滑动变阻器，使电流达到题目指定的大小后，单片机给出控制信号控制电子开关对电阻进行选择，即可调整电流大小。以上四种方案都能满足电源效率不低于为60%,但是方案二需要使用PWM控制芯片TL494，所接外部器件比较多，而且需要自制高频开关变压器，性能无法得到保证；方案三采用LM2596芯片作为DC-DC 模块的主器件，具有可靠，稳定的性能，改变外部电阻可以较好的控制，所以采用第三种方案。2.2.2 分流方案论证现在的均流方法有很多种，常用的有外特性下垂法、最大电流法、外部控制器法等，这里不再一一做详细介绍。方案一：我们分别采用两片TL494来为两路电源提供PWM，当两路并联时，利用其中一片TL494的一个内部误差放大器对电压进行调节，使其输出稳定在8V。利用两片高精度差动放大器INA133对两路电源的电流进行取样，将取样电压分别送入另一片 TL494 的一个内部误差放大器的正负输入端，通过两片 TL494 的内部误差放大器进行电流电压复合负反馈，从而进行稳压并实现均流。为了电路工作稳定，使误差放大器工作在闭环状态，此时通过调整误差放大器的放大倍数即可调节均流精度，但由于误差放大器的放大倍数有限，只能近似实现均流。方案二: 最大电流均流法。本方案采用负载共享控制器UCC29002实现。在DC-DC 模块正常工作时，将两路UCC29002的均流母线连接，此时 UCC29002将会自动选出电流最大的一路，并将此路电源作为主电源。均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定，从电源的UCC29002接收到母线上的信号后，会控制该路DC-DC模块稍稍提高输出电压。通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流，从而达到均流。并且该方案可通过十分简单的电路完成任意路并联均流，且支持热插拔。方案三：主从均流法。主从法的均流思想是在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到均流母线，其余的为从模块，从母线上获取均流信号主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等。采用这种均流方法，精度高，控制结构简单，模块间联线少，易于拓展为多路。缺点是一旦主模块出现故障，整个系统将瘫痪。方案四：采用数字控制技术实现分流。利用八位AD 0809单片机STC89C52检测采样电阻采样输出电流，利用合理的算法对输出占空比进行调节，控制电流源的输出值，进行分流调节。此硬件电路设计简单。根据上述几种方案的比较结合题目的控制要求，方案三的电路结构简单，不用使用软件算法，直接由硬件来实现。速度快且精度高，控制结构很简单，所以最终选择方案三来实现均流控制。2.2.3过流保护电路选择 方案一：采用硬件过流保护功能，当检测到的电流值超过4.5A的短路阈值电流时，比较器输出高电平切断继电器，当电流值低于4.5A时，继电器又吸合，电路恢复工作。但是为了避免继电器频繁切换，必须经过一定的延时后再控制继电器吸合，因此增加了电路的复杂性。 方案二：采用软件过流保护功能，电流检测值超过4.5A时单片机控制继电器断开，经一定的软件延时后再控制继电器吸合。延时时间可以由软件任意设定，增加了控制的灵活性。 方案三：在输出电路中串入可自恢复保险丝，当电流大于4.5A时，自恢复保险丝由低阻抗转为高阻抗切断电路。电流降低后可恢复正常工作。方案三简单且实用性强，因此我们选用方案三。2.2.4辅助电路设计方案选择方案一：采用反激电路实现。一路反激电路可以同时输出+5V和+12V，但反激电路结构复杂，需要变压器，效率较低。方案二：基于单片开关电源LM2596降压电路方案。此方案每路电源只能有一路输出，在这里我们将用LM2596输出固定电压+5V，作为辅助电源来给系统中的芯片供电。但基于LM2596的降压电路外围器件很少，无需变压器和独立的开关管驱动电路，结构非常简单，调试方便。LM2596具有很好的线性和负载调节特性，在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差很小，并且具有自我保护功能，外围电路比较简单，仅需4个外围元件，且能够使用容易购买的标准电感。综合考虑，我们选择方案二来设计辅助电源。第3章 硬件电路设计3.1 DC-DC模块设计用一个LM2596接成可调的输出恒压源，通过改变电阻R3使输出电压为8V的恒压源。再用一个LM2596基础上接成恒流源电路，两模块并起来。负载上的电流为两模块的电流之和，可以通过调节负载改变负载上的电流。模块一如图3-1所示：图3-1 DC-DC电路图注：反馈线要远离电感，电路中的粗线一定要短，最好用地线屏蔽，调节输出电压的电阻R1、R3要靠近LM2596的4脚。输出电压的计算可由下式给出： 其中Vref=1.23V， 为了确保输出稳定，R1选用标称阻值为1K，精度为1%的电阻。其工作原理是：此电源芯片的4脚 Feedback 端的电压稳定在1.23V，5脚ON/OFF端由逻辑电平来电源芯片的打开和关断，1脚为输入端，2脚为输出端，芯片通过调整起输出脉宽来，脚电压稳定在1.23V，流入 Feedback 端的电流为零，通过改变R3的值就可以改变电压的大小，影响电压输出的就是R1、R3的取值，现我们通过改变由R1、R3来实现我们所要设计的稳压源的电路。本次设计需要输出8V的电压，因此ZXLD1362芯片是一个连续模式电感式降压转换器,ZXLD1362包括输出开关和一个高侧的输出电流传感电路,它使用一个外部电阻器来设定标称平均输出电流.调整输出电流可以高于或低于设定值时,通过施加一个外部控制信号“ADJ”引脚，ADJ引脚将接受一个DC电压或PWM波形.根据控制频率,这将提供一个连续的（变灰）或一个门控输出电流.PWM波形。ZXLD1362芯片的输出电流与其接入两脚之间的采样电阻有关，输出的平均电流为接入电阻的倒数，电阻越小其输出的电流值越大。ZXLD1362工作在低频率PWM模式时。当ADJ引脚驱动为高电平电压低频率的PWM信号（如100Hz时）,VADJ和零水平低,内部低通滤波器的输出将在0V至摆动VADJ,使关断电路的输入低于其关断阈值（200mV的NOM）当ADJ引脚为低电平.这将导致输出被接通和关断以PWM频率的电流,从而导致在一个平均输出电流IOUTavg与PWM的占空比成正比图3-2低频率PWM工作波形图3-3，电流源模块在实际应用电路中只要我们按照采样的总电路电流值对比设计要求的电流比来安排单片机算法控制单片机输出的PWM波的占空比，单片机算法还可以加入外部按键输入，这样外部也可人为的调节单片机输出PWM波的占空比，即实现了对电流源输出控制，同时完成电流比的自动分配功能。基本满足设计要求。3.2电流电压检测模块设计电流电压方法多种多样，大部分电路为了减小采样过程中损失的功耗，都是在电路中串入或并入一个阻值很小的采样电阻，通过对电阻两端的电流或者流过电流进行采样放大后输入AD芯片，由AD芯片将模拟信号转换为数字信号使单片机能够识别，再进入单片机进行其他的数据处理。在本设计中，电压采样我直接采用电阻分压的方式来实现电压采集进入AD0809，这样电路简单实用省去了复杂运放电路，也减少了在实际电路的不必要的功率损耗。电流采样可以通过AD输出的电压采样在单片机内部算法算出来，这样省去电流采样电路。简单实用。电路如图所示：图3-4 AD采样模块3.3 系统控制模块设计系统控制电路如图3-3所示，采用STC89C52作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过串口方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，且STC89C52系列单片机的工作电压：2.0V3.8V，正常工作电流 2.7mA，空闲模式电流1.3mA，掉电模式电流0.1A，所以采用STC89C52作为控制模块核心具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析，利用外部AD0809数模装换芯片，将采样得到的信号转换为数字信号，并将其输出显示在两位数码管上。并利用软件算法，在负载电流值在具体值时按照任务要求控制输出的PWM波的占空比来实现要求的电流比值。具体的单片机最小系统如图3-3所示： 图3-5 单片机控制电路图对于单片机中央处理系统，根据要求，可以选择AT89C52单片机作为中央处理器作为整个控制系统的核心，AT89C52内部包含了定时器，程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其它存储器和定时器件、方便，整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高。AT89C52单片机管脚图如图3所示：图3-6 AT89C52管脚图（1）时钟电路单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的XTAL1和XYAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器C1和C2对振荡频率有微调作用，通常取(3010)pF石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。时钟电路如图4所示：图3-7 单片机时钟电路（2）复位电路单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上。单片机的复位方式可由手动复位方式完成。复位电路如图5所示：图3-8 单片机复位电路3.4辅助电源模块设计由于题目对效率要求特别高，若采用一般的线性电源，效率很低，所以本设计采用具有高效率的开关电源调节器LM2596-5，该芯片能够在4脚不接反馈电阻直接跨过电感接输出端时，他拥有固定的输出为5V，且其输入电压最大能够达到60V。电路为降压型电路。其电路简单，外围元件只有四个，可以降低功耗，提高电源效率。其电路图如图3-4所示：图3-9 辅助电源电路如果开关电源纹波比较大的话，可以在LM2596-5输出端并联一个200uf和1个0.01uf的电容使得LM2596-5能供给单片机更稳定的电压。3.5显示电路设计本次采用两位数码管，来显示检测得到的电压电流值。通过单片机对1的采样电阻采样，经过AD0809转换为数字信号后，数据经单片机的P0口输出到数码管上显示。能够清楚地观察到电路中电流效果：图3-10 显示模块电路3.6 时钟电路设计由于AD0809需要时钟脉冲驱动，本设计原本想直接采用单片机产生的时钟脉冲来驱动AD0809，但后期硬件电路中发现会对其他算法部分产生一些影响，导致显示跟按键功能部分工作不稳定。所以决定外部加入时钟信号电路，我可以在外部自加一个555做成的时钟脉冲模块，555芯片简单且功耗小，外围部件少，而且输出时钟周期可调。本设计中C4=100nf，C5=10nf，R2=R3=10K。电路图如下：图3-11 时钟脉冲电路3.7 外部按键控制电路在单片机的P3.3，P3.4口接入两个按键，第一个按键做为上调按键，另一个做为下调按键，当上调按键接通时，单片机内部对占空比值增加5%，当下调按键按下后，单片机接受到信号后，对设定的占空比减5%。这就能够实现设计要求中的按一定比例可调的功能，本方案实现起来简单，且比较实用。第4章 软件设计4.1 keilC51集成开发环境介绍4.1.1 Keil C51集成开发平台 一个单片机应用系统，它的硬件电路设计完成后，接着便是软件编写及仿真调试。这里先介绍一下Keil C51集成开发环境软件及并口下载软件DownloadMcu的使用。 Keil C51集成开发环境主要由菜单栏、工具栏、源文件编辑窗口、工程窗口和输出窗口五部分组成。工具栏为一组快捷工具图标，主要包括基本文件工具栏、建造工具栏和调试工具栏，基本文件工具栏包括新建、打开、拷贝、粘贴等基本操作。建造工具栏主要包括文件编译、目标文件编译连接、所有目标文件编译连接、目标选项和一个目标选择窗口。调试工具栏位于最后，主要包括一些仿真调试源程序的基本操作，如单步、复位、全速运行等。在工具栏下面，默认有三个窗口。左边的工程窗口包含一个工程的目标（target）、组（group）和项目文件。右边为源文件编辑窗口，编辑窗口实质上就是一个文件编辑器，我们可以在这里对源文件进行编辑、修改、粘贴等。下边的为输出窗口，源文件编译之后的结果显示在输出窗口中，会出现通过或错误（包括错误类型及行号）的提示。如果通过则会生成“HEX”格式的目标文件，用于仿真或烧录芯片。MCS-51单片机软件Keil C51开发过程为：1.建立一个工程项目，选择芯片，确定选项。2.建立汇编源文件或C源文件。3.用项目管理器生成各种应用文件。4.检查并修改源文件中的错误。5.编译连接通过后进行软件模拟仿真或硬件在线仿真。6.编程操作。7.应用。图4-1 keil软件界面4.1.2 Protues及并口下载软件简介Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。提供软件调试功在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。 图4-2 protues软件界面图4-3 protues软件元件库界面我们编写设计的单片机应用程序编译完成并生成HEX文件后，就需要将HEX文件写入单片机中，使单片机通电后能运行起来。将HEX文件写入单片机中一般有两种方法，一种是采用通用（万用）编程器将HEX文件烧写到芯片中，然后将芯片插到目标（试验）板上；另一种是通过PC机的并口、串口或USB口，使用下载器将HEX文件直接下载到目标板上的芯片中。目前，免费的并口下载软件有很多。这里使用一款DownloadMcu的下载软件，DownloadMcu软件非常小巧，大小只有750K，免安装，使用时只需拷贝到电脑的硬盘上即可，最好将其设为桌面快捷方式便于使用。图4-1 为DownloadMcu的工作界面。 图4-4 DownloadMcu的工作界面DownloadMcu主要用于AT89C51/52单片机及部分AVR单片机的程序下载。使用DownloadMcu软件前，先将并口下载器插电脑的并口，下载器（线）另一端的10芯插头插51 MCU DEMO试验板的ISP口，然后试验板接通5V稳压电源工作。随后双击桌面上的DownloadMcu快捷图标运行软件，在右侧的芯片窗口中，拉动上下滚动条，选择AT89C52，右上方的编程选项内，在自动擦除、ID校验、读写Flash前打勾选中。随后点击右侧的浏览按钮，装载进我们需要的HEX文件（例如：D:/test/test.hex）。如果要改变下载速度，可以拉动左下方的“读写速度”箭头进行调整。最后点击下方的下载按钮，这时左下方的进程条显示下载程序的进度，同时，51 MCU DEMO试验板上标示DISP的发光二极管会闪亮，说明程序正在顺利下载。下载完毕后，在主窗口中会出现下载结果的信息（见图4-5）。 图4-5 下载信息4.2 流程图软件设计采用C语言，对STC89C52进行编程实现以下功能：1.控制ADC对电流进行采样，AD0809采样得到电压值经过装换为数字信号，单片机对这些信号进行数据处理。2.驱动数码管显示采样得到的电压值；3.控制数字电位器实现电流比可调。4.2.1 程序总体流程图Y1:1输出2A指定比例输出是否3.7A扩展功能是否有按键基本功能NN开始主路采样初始化图4-6 总体流程图4.2.2 基本功能模块在总电路电流为设计要求的值时，单片机输出的PWM波占空比改变，调节电流源输出电流值，实现按要求输出电流比。流程图如下：返回Y调节电流源输出电流等于1.5A等于1A主路采样开始NN图4-7 基本功能模块程序流程图设置模拟输入口启动装换是否转换完开始返回输出数值处理NY图4-8 AD采样程序流程图4.2.3 扩展功能模块当有按键信号进入时，单片机内部原有设定的占空比发生改变，导致电流源输出电流改变，通过加减按键就能实现一定比例输出电流。流程图如下。按比例进行分流输出是否有按键输入主路采样进入扩展功能模块YN返回图4-9 扩展功能模块程序流程图第5章 系统测试5.1 测试仪器 本次设计在张老师的办公实验室完成，最后试验用的仪器均有张老师提供，如表5-1所示：表5-1 测试仪器清单序号仪器名称型号指标1数字万用表RIGOL DM30686位半2数字万用表MY633位半3直流稳压电源UNI-T UTG9065C0-32.5V/3A5.2系统实验测试设计完成后，在张老师实验室完成了相关的系统实际测试，下面是实际实验时所测的仪器数据图片。当总电路电流为1.5A时，按照设计要求电流源模块需要输出的电流为0.5A，与电压输出电流成一比二的关系。设计测量如下。当电流源输出0.5A时，他的ADJ管脚输入的PWM波的占空比为50%。此时的单片机管脚输出的PWM波如下图5-1 单片机P3.7输出的PWM波此时在电路源支路接入一个电流表，测量出电流源输出的电流值为0.515A，大体上满足了设计所需要的设计要求。电流表示数如下：图5-2 电流源模块输出电流值此时电压源应该输出1A电流来达到总电路1.5A的设计要求，下图为电压源工作状态时的电压电流示数：图5-3 电压源模块此时数据在本次设计中我加入了两个按键，通过按键来实现单片机输出的PWM占空比外部调节，一个加按键，一个减按键。每按一次占空比对应的加减5%。下图为按下三次加按键后的波形图，占空比为75%。图5-4 按键输入后改变单片机输出PWM波形图5.3 功能测试由于系统对电路效率有一定的要求，所以需要测量输入端、输出端电压、电流，方便检测支路电流比，需要对支路电流进行检测。根据电路的示意图，从电路中各点引出接线端子，电压测量可以直接在被测点两端并联，用来检测并记录分析供电系统各个指标。图5-5 功能测试方法图5.3.1 负载调整额定功率测试测试条件：Uin=24V，负载由1K减少到5表5-2 负载调整率负载()10005001005020105电压U(V)8.138.138.118.148.138.128.13从表5-2中可以看出，看出我们实测Uo最大为0.14V，题目要求输出Uo为8V，相对误差Io不超过0.4V，所以完全达到题目要求。5.3.2 系统效率测试测试条件：Uin=24V、输出电压Uo=8.13V左右、输出电流Io=4A。从下面计算中看出系统效率在85%以上，根据题目的要求60%以上，我们大大提高整个系统的效率。且较好的完成了系统对效率的要求。（1）系统额定工作状态系统输出电压即负载两端电压UO=8.13V系统输出电流即负载上的电流IO=4.01A输出功率P=IOUO=32.1W（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率电源效率是输出功率与输入功率的比值，计算公式为额定输出功率工作状态下，系统输入电压UI=24.0V系统输入电流II=1,60A此时，系统的效率为5.3.3 分流测试稳定输出电压为8V，输出电流之和IO=1.0A ，按I0I1=11定比分流（记录三次测量）。此时UI=24.0V II=0.43表5-3 分流测试清单误差误差电流比系统效率8.011.000.500.50001:177.6%8.001.000.500.50001:177.5%8.001.000.500.50001:177.5%通过多次测量，在输出电压为8V，输出电流为1A的情况下，可以保证支路电流按1:1的比例分配。每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%，满足题目指标要求。稳定输出电压为8V，输出电流之和IO=1.5A ，按I1I2=12定比分流（记录三次测量）。此时UI=24.0V II=0.63A。表5-4 分流测试清单误差误差电流比系统效率8.011.510.501.0100.011:279.99%8.001.500.501.00001:279.36%8.011.500.501.00001:279.36%通过多次测量，在输出电压为8V，输出电流为1.5A的情况下，可以保证支路电流按1:2的比例分配。每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%，满足题目指标要求。5.3.4 过流保护及自动自恢复功能表5-5 过流保护及自动恢复是否能实现负载短路保护及自恢复功能实测保护阀值电流能4.5A能4.45A能4.4A能4.55A能4.38A从表5-5可以看出，我们实现了4.5A左右的过流保护和自动恢复功能，完成了题目的要求。5.4 误差分析及不足之处我们测量的误差主要来源是电磁干扰，由于测试场地有许多电脑和仪器使用开关电源以及板子的布局可能考虑的不够周全，电磁噪声较大，采样电路的限流器与电路板的接触不好，电阻的精度不高等，并且测量仪表类型很多且精度不够高，人为读数存在误差，测量的数据达不到理论计算值，但是我们通过多次测量去平均把误差降低到最小。1. 系统采样时间长，在DC/DC的变换方式中，逆变换向是需要时间的，输出电流越大需要时间越多，大电流输出能力也差。而且在任何负载下，输出电压的质量也不高，纹波噪声比较低。2.系统稳定性不够，在低压大电流输出时，它的纹波和噪声抑制能力受到限制。3.恒流源部分通过两级放大两级跟随，两级跟随反馈给LM2596的四号管脚采样电阻的信号量可以通过给定的电流值串联电阻与反馈端并联，可以简化反馈电路。参考电流由PWM波经过电容电阻产生。4. 发现低端采样出现AD转换不呈线性变化，究其原因，所接的地是一个平面，受到的外界干扰大，导致输出纹波大。将低端采样换成高端采样，即对电阻两端电压进行采样，可以有效降低外界干扰，从而使输出稳定。5.电流变化速度很快，单片机的采样频率有限，不能及时跟上变化引起采样误差，所以通过增加同相一级跟随后再输入单片机，同时也在一定程度上降低了输出纹波。结论本设计采用更少的元件，更低成本实现了稳压、均流、过流保护自恢复等功能，通过巧妙的模拟电路设计，在输出电流相对误差等方面达到了指标要求，特别是70%以上的供电系统效率远超过了基本部分的指标，设计中所选的器件均具有相当高的性价比，如单片机STC89C52，LM2596等芯片，经过几次修改，本次设计的方案相对于以前的方案，更经济简洁，实用性更强，并且精度稳定性系统的效率等等都有所提高。由于本人水平有限，开关电源模块并联供电系统还有一些不足，还有待进一步完善，也可以进行部分功能扩展。在此提出一些我个人的建议：1.系统利用的是单片机控制核心，由于受单片机类型的影响（如：运速度等不够）另外在PCB的布局上做改进（考虑电磁兼容等），以减小系统误差，也可以用DSP作为本系统的控制核心这样对精度和稳定度会有进一步的提高。2.可以改进一下设计方案，通过改变负载来改变2路的电流以任意比例分配，这样在功能上就有所改进。3.修改软件程序，以实现可以任意设置过流保护的上限制，而不是单纯的4.5A。4.可以在电源模块加上稳压部分，这样会使系统更稳定，以减小系统的误差。致 谢本论文是在指导教师的悉心指导下完成的，四年的大学生涯即将在这个季节划上一个句号，而对于我的人生却只是一个小小的逗号，这将是我面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在各位老师、亲友的大力支持下，走得有点辛苦却也收获满丰。在我毕业论文即将完成之际，感慨万千，心情久久不能平静。伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师张老师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野广阔，为我营造了一种良好的精神氛围。不仅在学习上影响了我，更在思想上也是我有所改变。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了我自己小小的目标，学到了一些非常实用的思考方式以及设计方法，从毕业设计题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我很多的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！同时也感谢学校为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的老师和同学们，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。参考文献1 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社,2006年2 江思敏，姚鹏翼.编著：PCB设计.机械工业出版社,2010-103 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.电子工业出版社,2002年4 Abraham l.Pressman .开关电源设计. 电子工业出版社,2005年5 李爱文. 现代通信基础开关电源的原理和设计. 科学出版社,2001年6 高吉湘. 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.电子工业出版社,2007年7（美）Sanjaya Maniktala 著，王志强等译.精通开关电源设计.人民邮电,2008年09月 8（美）普利斯曼,莫瑞 著，王志强 等译.开关电源设计.电子工业出版社 2010-6-19 王水平. 开关稳压电源原理设计及实用电路(修订版).西安电子科技大学出版社; 第1版 (2005年10月1日)10 王志强等译.开关电源设计与优化.电子工业出版社,2006-12-111 马尼克塔拉(Sa